燃煤锅炉汞脱除规律研究现状和Aspen 技术分析*

梁 霄，李东雄，李锦蓉，赵元杰

（山西大学，山西 太原 030013）

燃煤发电会导致多种污染物的排放，如硫化物、氮化物、重金属汞及其化合物等。燃煤是最大的人为汞排放源之一[1]，近年来，我国对燃煤电厂中汞及其化合物的污染排放愈发重视，根据中华人民共和国环境保护部发布的GB 13223—2011 《火电厂大气污染物排放标准》[2]，汞及其化合物第一次被列入了燃煤发电排放指标。

1 研究现状

过去，在对燃煤电厂污染物的研究中，硫化物和氮化物的研究较为普遍，而汞及其化合物的研究相对较少。朱珍锦等和郭欣等[3-4]对某电厂的300 MW煤粉锅炉的汞排放规律进行了实验分析，得出了汞在燃煤烟气中大量排放，炉渣中排放较少的分布特征，其研究表明只需要对燃煤烟气中的汞进行分析讨论即可脱除大部分的汞及其化合物。周劲松等[5-6]对燃煤锅炉汞的排放进行了研究，对300 MW 及以上等级的燃煤锅炉中汞的排放规律等进行了报道，其中利用OH 法对汞及其化合物进行了采样，讨论了静电除尘器（ESP） 前后对汞排放的影响及OH法与CEM 法的适用性，该成果对汞的采样方法的研究有一定的启发性。李志超等[7]对300 MW 燃煤机组中利用ESP 和WFGD 脱汞进行了分析，得出ESP 对颗粒汞、WFGD 对Hg2+的脱除效果较好的结论。随着对硫化物排放的严格要求以及对燃煤效率的追求，循环流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB） 锅炉被大量使用，白建云等[8]对循环流化床锅炉协同脱除下的汞排放特性进行了研究分析, 证明了CFB 锅炉协同脱除方法在脱汞方面的巨大优势。黄勋等[9]对CFB 锅炉的褐煤、烟煤、无烟煤中烟气飞灰的汞迁移规律进行了研究，讨论了炉膛温度、炉膛空截面风速、给煤量、颗粒度等因素对汞迁移规律的影响。上述研究中的装置基本都设有静电除尘器或布袋除尘器，部分机组配套湿法脱硫装置，但没有涉及到针对配套半干脱硫法的CFB 锅炉机组的研究报道，目前国内烟气污染物综合脱除技术中，已有多台循环流化床锅炉采用炉内脱硫+炉外烟气循环流化床半干法脱硫除尘一体化协同脱除工艺，其在确保烟尘、SO2超低排放的情况下，SO3脱除效率和负荷适应性表现明显优于其他综合脱除系统，但其对烟气汞及化合物的协同脱除效率和负荷适应性还缺乏数据支撑。曾韵洁[10]的研究报道表明了SO2，NO 以及SO3的存在未对烟气中SO2脱除效率有明显影响，但对汞及其化合物的脱除有一定的抑制作用。2020年1月，姜兴华[11]对300 MW 的配套半干脱硫装置的CFB 锅炉进行了研究报道，研究了300MW 的不同工况下汞的分布和脱除特性，但其煤种较为单一，且未对炉内其他元素对汞的协同脱除进行讨论，而任建莉等[12]的研究表明，烟气中汞的分布规律与煤种相关，只对一种煤种进行实验的报道普适性较差。

因此，有必要对多煤种进行实验分析，得到普遍的规律。但进行大量的工业试验相对困难，而利用Aspen Plus 工业模拟软件对CFB 进行模拟分析可很好地解决这一问题。利用Aspen Plus 可以对多煤种、多工况下的汞的协同脱除规律进行讨论分析，结合实际实验进行验证，从而得出较好的普适规律和数据曲线。江成林等[15]利用Aspen Plus 计算CFB锅炉的燃烧效率，提出了一种基于Aspen plus 软件的CFB 锅炉效率计算方法，但对灰渣的物理计算结果偏差较大。李娟等[16]利用Aspen plus 对660 MW的锅炉进行了性能计算，张媛等[17]基于Aspen plus对工业煤粉锅炉的烟气再循环进行了研究报道，这些文献中的CFB 锅炉建模、研究方法思路对我们的研究有一定参考价值。目前，尚未发现有关利用Aspen Plus 软件对汞烟气及其化合物的研究报道。

2 汞的迁移规律

由多种文献材料可知[3,7]，燃煤锅炉中的汞主要以气态汞（Hg0，Hg2+） 形式排出，大气会将气态零价汞输送到各个地方，造成范围性的汞污染，而气态二价汞易溶于水，在大部分电厂未安装湿法脱硫装置的情况下，会与外界的水分子结合，迅速沉积在排放源附近，造成地区性的汞污染。气态零价汞Hg0（g）在汞的大气排放分布中占比最大，由此可知，脱Hg0的关键就是将Hg0（g）转化为Hg2+（g），并尽可能将Hg2+（g）转化为Hg（p）后进行脱除，这样即可达到控制汞排放的目的。Hg0（g）的迁移有两种途径:一种是Hg0（g）与烟气其他成分发生均相氧化反应而生成气态的氧化态汞Hg2+（g）；二是未氧化的Hg0（g）和生成的Hg2+（g）与固态产物发生气固吸附作用而成为颗粒态汞Hg（p），并且在很多情况下会伴随着Hg0（g）与固态产物的非均相催化氧化作用。Hg（p）可以被除尘器捕获，但缺乏准确具体的捕获数据，这就需要对除尘器的脱汞效率和影响因素进行研究。汞的脱除效率、迁移受很多条件的影响，研究其协同脱除效率，需要对除尘器脱汞效率、其他化合物对汞协同脱除的影响、其他（如煤种、炉膛温度、炉膛给煤量、颗粒度等） 环境因素对汞脱除效率的影响进行综合性分析。这时，利用计算机模拟软件的强大计算能力，可节约大量的时间和成本，具有很大的优势，这也是越来越多的学者利用Aspen plus 等模拟软件进行研究的原因。

3 Aspen 技术分析

3.1 Aspen Plus 模拟技术简介

Aspen Plus 是大型通用流程模拟系统软件，经常被用户用于化工过程模拟。多年来，Aspen Plus先后推出了十多个版本，通过不断地改良、完善和拓展，它作为一种标准的大型过程仿真软件而闻名于世，其成功的应用案例超数百万个。Aspen Plus的用户包括了全球的各大化工、石化等过程工业企业及众多大型工程公司。

3.2 Aspen Plus 模拟技术应用研究现状

国内有很多学者应用Aspen plus 软件进行研究，Aspen Plus 模拟技术应用已经非常成熟，研究应用设想的难点是模型建立是否完备和物性参数及计算方法的输入，这些难题可以通过参考其他学者对Aspen 的研究和对该软件系统的学习来解决。对于CFB 的Aspen plus 软件建模，可参照崔亚明等[13]、Liu Bing 等[14]的研究。江成林等[15]利用Aspen plus 建立了CFB 锅炉模型，并对CFB 锅炉稳定运行工况下的燃煤效率进行了模拟计算，其相对误差较小，烟气成分组成与现场数据吻合。李娟等[16]利用Aspen plus 计算了660 MW 超超临界CFB 锅炉满负荷下的性能，得到了过量空气系数对氮氧化物和硫化物排放的影响。张媛等[17]则利用Aspen plus 对煤粉锅炉的再循环烟气温度对NO 的排放进行了研究。这些都表明Aspen plus 软件在燃煤锅炉研究及锅炉排放研究方面的可行性。

3.3 Aspen Plus 模拟技术应用的意义

利用Aspen Plus 软件模拟计算有很多优势，可以节约实验成本，可以在短时间内进行大量的模拟计算并对结果进行归纳，可以利用模拟中得到的参数进行实际的实验来验证结果。节约大量时间、设备、材料等成本的同时，得到较为完善和准确的数据，保证数据支撑的同时，提高经济效益。

4 研究趋势

随着时间推移，我国越来越重视对污染物排放的控制，对燃煤系统排放方向的研究逐渐趋向于对污染物脱除规律进行分析，利用多种因素来降低污染物排放的研究，汞及其化合物就是其中重要的一项。对研究现状的分析可知，学者们对燃煤锅炉中汞的迁移及脱除规律的研究愈发完善，但鉴于实际研究的成本，多数学者仅用一种煤种在通常工况下或多煤种在单一工况下进行研究，其规律曲线具有参考价值，但缺乏大量的数据，不能完全适用各种复杂的工况，这时模拟研究低成本的优势便越发受学者们青睐。针对研究空白及Aspen plus 技术的优势，未来可利用Aspen Plus 技术对配套一体化协同脱除半干脱硫设备的CFB 锅炉机组进行建模，考虑到煤的工业成分的差异性，填写多煤种的数据，并改变工况参数，利用计算机模拟，最后通过实验进行验证，得到不同工况下，不同煤种燃烧时烟气汞及其化合物的协同脱除规律，为配套半干法脱硫设备的CFB 锅炉机组提供数据和技术支持。

随着计算机技术的迅猛发展，未来的研究趋势也将从搭建实验锅炉、仿真设备这种实际的、大规模、高成本研究，转到先行利用模拟软件进行计算模拟，得到数据，与实际情况比较，分析模拟可行性，在可行的基础上，得到大量模拟数据，绘制更精确的曲线，揭示更多情况下的规律，为企业进行“量身定做”式的模拟研究，为优化生产方式、减少污染排放等方面提供数据支撑。

5 结束语

环境污染问题日益严峻，环保要求愈发严格，提高煤炭的高效清洁利用显得尤为重要。重金属污染越来越受到社会关注，汞是常见的重金属污染物之一。据报道，人为排放的汞约占大气汞的75%，而燃煤释放的汞约占人为排放总量的45%。本文对燃煤锅炉汞脱除规律的研究现状进行了分析总结，得到汞的迁移规律。引出了Aspen plus 软件模拟，介绍了Aspen 技术应用的难点并对Aspen plus 在燃煤锅炉应用上的研究进行了分析。说明了利用Aspen Plus 进行建模和模拟运算，结合实际测量数据，达到节约时间、成本、提高研究效率的应用意义。提出Aspen plus 软件应用于CFB 锅炉机组的研究方法，并对未来的研究趋势和发展方向做了展望。